作者： Paul Pickering 圖1:物聯(lián)網(wǎng)工廠糅合了新老技術(shù)。這是一個具有挑戰(zhàn)性的EMC環(huán)境，特別是對于低功耗的無線設(shè)備。(圖片來源:德州儀器) 我們都知道，工廠是一個嘈雜的地方：因噪音引起的聽力受損是美國最常見的職業(yè)病之一，但處于這種風(fēng)險(xiǎn)之中的不僅僅是人類。有些看不見也聽不到的電子噪音會對傳感器和通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞，尤其是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)，即工廠4.0。 為何這種電子“聽覺損耗”趨勢在不斷上升?IIoT的目標(biāo)是利用大數(shù)據(jù)來獲取行業(yè)專家所謂的“可行的見解”，提高運(yùn)營效率、節(jié)約資金、并在事故發(fā)生前預(yù)測故障。若要收集大量的數(shù)據(jù)并將其放入云端，首先要添加數(shù)千個靈敏的傳感器，以監(jiān)控工業(yè)流程的各個方面。且這些傳感器必須在一個從未進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)的環(huán)境中工作。 EMC和連接工廠 維基百科將電磁兼容(EMC)定義為“電子工程的分支，與電磁(EM)能量非目的性的生成、傳播和接收有關(guān)，可能會導(dǎo)致不良的影響，如電磁干擾(EMI)或?qū)Σ僮髟O(shè)備的物理損壞等”。EMC有兩種主要的影響因素：EM輻射或非預(yù)期EM能量的生成，以及EM的磁化率，即設(shè)備受EM能量影響的程度。我們可以根據(jù)EM傳播的方式——輻射或傳導(dǎo)，將其分為四個不同的研究方向及四組問題。圖2展示了EMC傳播的機(jī)制。 圖2:電磁輻射傳???機(jī)制。(圖片來源:維基百科) 為何工廠會處于一個具有挑戰(zhàn)性的EMC環(huán)境中？圖1展示了一個典型的IIoT場景：在低功耗低電壓模擬和數(shù)字技術(shù)發(fā)展之前，工廠安裝了大量有線和無線傳感器及通信網(wǎng)絡(luò)。這些設(shè)備當(dāng)下的設(shè)計(jì)通常需要1V或更少的功率，并有可能受到電源線和接地線路毫伏的干擾。更糟糕的是，由于最初的工廠設(shè)計(jì)師沒有預(yù)見到IIoT低功率無線設(shè)備的廣泛應(yīng)用，因此便沒有優(yōu)先考慮在GHz范圍內(nèi)盡量減少放射。 圖3:工業(yè)環(huán)境受到寬帶EMI的影響:一些樣品來源如圖所示。(圖片來源:Compliance-club.com) 工廠通常有許多機(jī)器，可能為低功率和無線設(shè)備造成一些EMC問題。例如，電弧焊機(jī)可能成為輻射和傳導(dǎo)干擾源：從弧脈沖發(fā)出輻射射頻(RF)能量，從電源線和接地線路的電壓諧波和波動中傳導(dǎo)能量。同時，其他的機(jī)器可能還受到放射和磁化問題的干擾。圖3展示了EMI及其頻率的一些常見來源。 一些適用的EMC標(biāo)準(zhǔn) 正如預(yù)期，由于嘈雜的設(shè)備可能會造成很大的影響，世界各國政府已制定了管理EMC性能的標(biāo)準(zhǔn)。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)為電信設(shè)備設(shè)置了最低的合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。FCC規(guī)范的第15部分便規(guī)定了為防止有害的射頻干擾所需要進(jìn)行的排放測試。 在歐盟，R& TTE指令99/5/EG適用于所有無線電控制產(chǎn)品。加拿大工業(yè)協(xié)會有適用于無線電設(shè)備的通用合規(guī)要求(RSS-GEN)，其他國家也有類似的機(jī)構(gòu)。 監(jiān)管機(jī)構(gòu)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋每個EMC類型允許的級別和批準(zhǔn)的測試程序。在公司推出新產(chǎn)品之前，政府機(jī)構(gòu)通常需要對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試和認(rèn)證。 不同的標(biāo)準(zhǔn)適用于不同的行業(yè)，但前提是遵守一些國際權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)，如國際電工委員會(IEC)等。對于工業(yè)設(shè)備，IEC 61000-6-2涵蓋了EMC，以IEC61000-6-4作為通用的放射標(biāo)準(zhǔn)。許多應(yīng)用程序有其自身的標(biāo)準(zhǔn)：如IEC 60974-1特別適用于電弧焊接機(jī)器人的電源供應(yīng)，IEC 60974-10涵蓋了弧焊機(jī)器人EMC的要求。 EMC和無線網(wǎng)絡(luò) 盡管工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)已存在了數(shù)十年，并包括以太網(wǎng)、CAN等標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著低成本低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的興起，連接IIoT工廠變得更加容易。在工業(yè)應(yīng)用中使用無線解決方案的原因在于： 更大的靈活性，移動設(shè)備的位置更加便捷，以及與智能手機(jī)和平板電腦的連接更方便 布線的成本降低 安裝和調(diào)試更加快速簡便，尤其是在偏遠(yuǎn)或難以訪問的地區(qū) 遠(yuǎn)程更新的靈活性和便利性更大 可以輕松將設(shè)備集成至網(wǎng)絡(luò)中 在過去的十年中，連接工廠已經(jīng)采用了一些無線標(biāo)準(zhǔn)。下表展示了IIoT市場一些主要的競爭標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用: 基于IEEE 802.15.4的網(wǎng)絡(luò)對IIoT架構(gòu)師特別有吸引力，因?yàn)樗鼈兏m合于小數(shù)據(jù)包和低更新率的IIoT傳感器節(jié)點(diǎn)。另一方面，802.11 WLAN設(shè)備必須適應(yīng)視頻流這樣的應(yīng)用程序，因?yàn)檫@將極大地增加復(fù)雜性和功耗。 許多無線產(chǎn)品可以在單個設(shè)備上處理一個或多個IIoT協(xié)議。例如，德州儀器的CC2630無線微控制器單元(MCU)，適用6LoWPAN、ZigBee和TI自身的SimpleLink功能。 該設(shè)備屬于CC26xx系列，有較好???成本效益，是超低功耗、2.4-GHz射頻的設(shè)備。CC2630包含一個32位的ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核，以48 MHz運(yùn)行，加上一個集成了ARM Cortex-M0的RF塊。它還包括一個超低功耗的傳感器控制器，用于與外部傳感器進(jìn)行接口，并在系統(tǒng)睡眠模式下收集模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。該功能也使其非常適合于IIoT低功耗遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序。 將EMC問題最小化的設(shè)計(jì) 為了獲得良好的EMC性能，設(shè)計(jì)需要采用多層方法，關(guān)注工廠層級的性能，如接地和配電、單個集成電路等。由于許多IIoT的安裝都是經(jīng)過改造的，所以要完成這項(xiàng)任務(wù)變得更加困難，因此，若要重新裝配工廠基礎(chǔ)設(shè)施等進(jìn)行大規(guī)模變更，則很難實(shí)現(xiàn)，甚至不可能完成。 EMC設(shè)計(jì)：工廠層級 在工廠層級，良好的EMC性能要從配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開始。工廠通常使用高壓AC和DC系統(tǒng)，這就會產(chǎn)生許多與電磁相關(guān)的事件，如電力網(wǎng)絡(luò)操作或功率因數(shù)電容器開關(guān)的瞬變，自弧觸點(diǎn)快速瞬變，以及大功率接觸器線圈磁場倒塌。直接或間接的自然事件，如雷擊等，也可導(dǎo)致工廠設(shè)備的電壓瞬變。 在車間里，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的使用無處不在，從CNC機(jī)器到泵或工業(yè)機(jī)器人等。而它們也是EMI的主要原因，尤其是“弧和火花”刷刷過的DC電機(jī)；即使是無刷電機(jī)(BLDC)也有PWM控制，可以產(chǎn)生高速的開關(guān)瞬變?，F(xiàn)場巡視可以幫助識別射頻噪聲的來源，并將主要的觸發(fā)點(diǎn)隔離和屏蔽。 圖4:“我不知道為什么會有EMC問題”(圖片來源:ThereIFixedIt.com) 現(xiàn)代工廠通常還有幾英里通過管道連接的線路，環(huán)繞在地板、內(nèi)墻和天花板上。在舊式的安裝中，這些線路可能被隨意安裝，且使用年代之久，如圖4所示。從高壓、高電流功率信號，到低層傳感器的輸入和輸出，這些線路發(fā)揮著重要的作用。在工廠層級，線路可以看作一個大天線，從內(nèi)部和外部傳輸和接收輻射電力噪聲。將長線運(yùn)行所形成的環(huán)面積最小化則有助于降低噪音。 布線也可以傳播噪音。例如，電感耦合噪聲可以從一根電線傳到下一根。屏蔽電纜以防護(hù)噪聲敏感信號是減少噪聲的重要因素。盡管最初的成本很高，但若在安裝之后才隔離及解決EMC問題，可能成本將更高。例如，Belden的9536電纜包括6個24 AWG的絞合鍍錫銅導(dǎo)體、半硬質(zhì)的PVC絕緣以及可以100%覆蓋的防漏線。對于在5e 100BaseTX網(wǎng)絡(luò)通信中使用的電纜槽，Belden的796x電纜提供了四個導(dǎo)體和一個編制屏障，具有工業(yè)級的防曬和耐油PVC外層。 其他的供應(yīng)商，如Glenair，提供了一系列靈活的編織套管、管道和配件，以提供EMI保護(hù)。例如，Glenair的Armorlite是鍍鎳不銹鋼EMI/RFI編織外殼，針對260°C高溫的應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)。 EMC設(shè)計(jì)：系統(tǒng)層級 圖5展示了典型的IIoT節(jié)點(diǎn)級設(shè)備的框圖。它包含了引起EMC問題的各種組件：通過電力供應(yīng)或有線通信線路，噪音可以進(jìn)入或消失，且無線接口可以接收或發(fā)射輻射噪聲。 圖5: 不管是放射還是磁化，IIoT傳感器節(jié)點(diǎn)可能是EMC問題的來源。(圖片來源: Mouser Electronics) 為了減少磁化率或放射，在噪音進(jìn)入或離開開發(fā)板的位置點(diǎn)（連接器）時便終止噪音是一種非常有效的方法。 過濾后的連接器將標(biāo)準(zhǔn)連接器與EMI/RFI抑制組件結(jié)合在一起，可以幫助解決EMC問題。過濾器元件封裝在連接器中，將可用的PCB區(qū)域最大化，其相比標(biāo)準(zhǔn)的連接器和離散過濾組件，大量減輕了重量。 例如，Harting的D-sub連接器使用鐵氧體過濾器塊來阻止高頻。這種D-sub形狀因子在工業(yè)應(yīng)用中廣泛使用，且Harting連接器有第9、15、25和37接觸版本。 圖6:密封過濾器有效地過濾了DC電線噪聲。(圖片來源: Mouser Electronics) 通常，有必要為高壓DC輸電線提供離板EMC過濾。如圖6所示的API 51f-726-002 EMC過濾器則針對螺紋孔或通孔安裝而設(shè)計(jì)。在嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境中，兩端的樹脂密封可以提供保護(hù)。在選擇C、L或Pi濾波器時，它們能有效地過濾DC輸電線的噪聲，并能處理高達(dá)500V DC/220 V AC(400 Hz)的電壓。